Photovoltaik. Photovoltaik. Vorlesung Technischer Ausbau. Thema

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1 Photovoltaik Vorlesung Technischer Ausbau Thema Photovoltaik Physikalische Grundlagen; Prinzip Sonnenernte; solare Deckungsrate Anlagenkonzeptionen Beispiele

2 Vorlesung Technischer Ausbau PHOTOVOLTAIK Thema Photovoltaik Physikalische Grundlagen; Prinzip Sonnenernte; solare Deckungsrate Anlagenkonzeptionen Beispiele Quelle:

3 PHOTOVOLTAIK Quelle: BINE Informationsblatt Ausgabe Nr. 12/November 95

4 PHOTOVOLTAIK

5 Physikalische Grundlagen PHOTOVOLTAIK Solarkonstante am äußeren Rand der Erdatmosphäre 1353 W/m2 Air Mass (AM) : extraterrestische Energie durch luftleeren Raum AM = 0 am Äquator reduzierte Strahlung AM = 1 in unseren Breiten reduziert durch Staub etc. AM = 1,5

6 Herstellung von Solarzellen PHOTOVOLTAIK Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Seine einfachste Verbindung ist das Siliziumdioxid (SiO2), auch als Quarzsand bekannt. Silizium ist der wichtigste Grundstoff der Halbleitertechnik. Aus ihm werden Computermikrochips, Transistoren und 99 Prozent aller Solarzellen hergestellt. Um Halbleitersilizium zu erhalten, muss dem Siliziumdioxid der Sauerstoff entzogen werden. Das so gewonnene Rohsilizium muss durch aufwendige Prozesse gereinigt werden, um den erforderlichen extrem hohen Reinheitsgrad zu erreichen. Aus der Schmelze dieses Materials werden entweder Blöcke gegossen oder säulenförmige Kristalle gezogen. Mittels einer Drahtsäge werden die Siliziumsäulen in sehr dünne Scheiben geschnitten. Diese Siliziumscheiben werden auch Wafer genannt und bilden die Grundlage für die Herstellung von Solarzellen. Quelle:

7 Prinzip der Fotovoltaik: PHOTOVOLTAIK Lichtteilchen auf Halbleitermaterial (kristalline Siliziumstrukturen) welches in der Lage ist, Elektronen freizugeben. Elektronen werden aus Gefüge gelockert und können sich frei bewegen. Durch das Richten des Elektronenflusses der Solarzellen entseht Stromkreis Anderes Modell: Wellenmodell; Energieinhalt der auftreffenden Strahlung nach Wellenbereich unterschiedlich. Je größer Frequenz desto höher, der Energieinhalt. Durch Auftreffen der Strahlung werden die Amplituden der der Kristallschwingungen erhöht. Kurzwellige Strahlung wird in langwellige erhöht. Die Temperatur steigt. Die gewonnene Wärme wird an einen Moderator weitergeleitet.

8 PHOTOVOLTAIK Quelle: Zeitschrift Ministerium für Bauen und Wohnen NRW

9 Die Leistung von Fotovoltaikelementen wird in Wp (Watt peak) PHOTOVOLTAIK angegeben. Das ist die Leistung, die bei Testbedingungen mit 1000 W/m2 und 25 GRD C ermittelt wird. Achtung: Leistungsangaben sind immer auf diesen Zustand bezogen!

10 Typen von Solarzellen Es gibt inzwischen mehrere Typen von Solarzellen. PHOTOVOLTAIK Monokristalline Silicium-Solarzellen Herstellung: Mit Hilfe des Czochralski-Verfahren wird eingeschmolzenes Silicium zu einem stabförmigen Einkristall gezogen und danach in Scheiben gesägt. Kennzeichen: Monokristalline Silicium-Solarzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sowie gebrochenen Ecken. Wirkungsgrad: Labor : 23,3 % Praxis : 15-18,5 %

11 Typen von Solarzellen (Fortsetzung ) Multikristalline Silicium- Solarzellen PHOTOVOLTAIK Herstellung: Geschmolzenes Silizium wir in Blöcke gegossen, dabei wird die Einkristallbildung unterbunden. Aus dem grobkörnig erstarrtem Silicium werden Scheiben gesägt. Kennzeichen: Multikristalline Silicium-Solarzellen besitzen eine unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die Kristalle mit einem Durchmesser von einigen Millimetern bis Zentimetern zu erkennen sind. Wirkungsgrad: Labor : 17,8 % Praxis : %

12 Typen von Solarzellen (Fortsetzung ) Amorphe Silicium-Solarzellen Herstellung: Silizium wird aus der Gasphase auf einen Träger (zumeist Glas) als dünne Schicht aufgebracht. PHOTOVOLTAIK Kennzeichen: Eine Kristallstruktur ist hier nicht zu erkennen. Amorphes Silicium besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen. Wirkungsgrad: Labor: 11,5 % Praxis: 5-8 % Quelle:

13 PHOTOVOLTAIK Prinzipdarstellung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage

14 Photovoltaik Anlagen können netzgekoppelt, alleine oder in Verbindung mit Stromgeneratoren betrieben werden. PHOTOVOLTAIK Eine Pufferung in Batterien ist möglich, bei größeren Leistungen wegen unzureichender Batteriekapazitäten eingeschränkt. Beispiel: Gel Batterien 85 Ah...185Ah (204 Euro Euro/Stück) entspricht 1,02 kwh...2,2 kwh) Bei 55 kwh Durchschnittsverbrauch einer Wohnung je Tag müssten 54 Batterien je 85 Ah bei energieautarkem Betrieb vorhanden sein (bei Blei Batterien doppelt soviele wegen Tiefenentladung!

15 Netzparallel betriebene Anlage mit PV PHOTOVOLTAIK Quelle: Technische Information Wagner&Co

16 Geeignete Flächen in der Gebäudehülle PHOTOVOLTAIK Dachintegration Bei der Integration einer Photovoltaikanlage in ein Gebäude gilt die erste Überlegung den geeigneten Flächen. Prinzipiell kommt hierfür jede Fläche in Frage, die einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. In der Praxis haben sich einige Bereiche der Gebäudehülle als besonders geeignet erwiesen. Im Dachbereich gilt dies vor allem für das Schrägdach, welches idealerweise als südorientiertes Pultdach ausgebildet wird. Zu beachten ist hierbei, daß Dachgauben oder Installationen, die die Dachhaut durchdringen, ertragsmindernde Verschattungen hervorrufen können. Bei geringer Dachneigung sind auch nicht opimal orientierte Dachflächen

17 Ertragsbeeinfluss ende Planungsfaktoren PHOTOVOLTAIK Bei Ausrichtung der Planung einer Photovoltaik- Anlage ist die Ausrichtung der gewählten Gebäudeflächen in besonderem Maße zu berücksichtigen. Wenngleich auch die Planungskriterien bei gebäudeintegrierten Anlagen nicht rein ertragsorientiert sein müssen, so ist es dennoch unabdingbar, die besonderen Anforderungen dieser elektrotechnischen Bauteile zu berücksichtigen. In erster Linie gilt dies für die Ausrichtung der Modulfläche, die mit Südorientierung und einer Neigung von ca. 35 gegen die Horizontale in Mitteleuropa über das Jahr betrachtet die maximalen Solarerträge ermöglicht. Dennoch hat man als Planer bei der Ausrichtung des Gebäudes einen großen Spielraum: Abweichungen von süd-ost bis süd-west ziehen lediglich geringe Ertragseinbußen nach sich. Bei der Wahl des Neigungswinkels hat man mit südlicher Orientierung selbst bei vertikalem Einbau noch fast 3/4 der Einstrahlung gegenüber einer optimalen Ausrichtung

18 Fassadenintegration PHOTOVOLTAIK Ein beträchtliches Potential an geeigneten Flächen stellen die Gebäude- Fassaden dar. Diese vertikalen Flächen sind zwar nicht ideal ausgerichtet, sodaß eine solche Anordnung eintrahlungsbedingt mit Ertragseinbußen verbunden ist, jedoch wird dieser Nachteil durch die Übernahme zusätzlicher Fassaden-Funktionen ausgeglichen. Die vielfältigen konstruktiven Möglichkeiten bei Photovoltaikmodulen ermöglichen es, daß nahezu alle Funktionen einer Fassade übernommen werden können. In erster Linie bietet sich für die Anbringung von Photovoltaik- Modulen eine vollflächige, hinterlüftete Kaltfassade mit südlicher Orientierung an. Bei entsprechender Planung mit gezielter Abluftführung kann die Modultemperatur niedrig gehalten, und die

19 Hinterlüftung Neben der Ausrichtung und möglicher Abschattung der Module hat der elektrische Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag. Dieser nimmt mit zunehmender Erwärmung der Solarzellen ab. Der Planer hat darauf über die Wahl der konstruktiven Einbindung großen Einfluss. Eine ausreichende Hinterlüftung sollte durch entsprechende Planung gewährleistet sein, zumindest aber mit den anderen bautechnischen und gestalterischen Entscheidungskriterien abgewogen werden. Quelle PHOTOVOLTAIK

20 PHOTOVOLTAIK Verschattungsfreiheit Entscheidend für den Ertrag einer Photovoltaikanlage ist nach der Orientierung die Verschattungsfreiheit der Generatorfläche. Hierbei gilt für Photovoltaik-anlagen die Besonderheit, dass aus oben angeführten Gründen bereits geringe Abschattungen von Modulen eine große Ertragseinbuße nach sich ziehen können. Oberstes Ziel sollte es daher sein, die Modulfläche so zu planen, dass sie im Tagesverlauf - zumindest über das Sommerhalbjahr - verschattungsfrei bleibt. Besonderes Augenmerk gilt hierbei der Analyse der umgebenden Bebauung. Auch Bepflanzungen können - eventuell erst zu einem späteren Zeitpunkt - Verschattungssituationen hervorrufen. Dies gilt besonders für neu entworfene Grünanlagen, die oftmals von externen Planern gestaltet werden. Genaue Vorgaben zur Sicherstellung der Verschattungsfreiheit sind daher ratsam. Auch eine mögliche Selbstverschattung des Gebäudes sollte untersucht weden. Dies kann sowohl durch die Gebäudegeometrie selbst hervorgerufen werden, als auch über Kostruktionen im Detail: Tiefe Quelle Abdeckleisten, abgehängte Elemente

21 PHOTOVOLTAIK 40 kwp Photovoltaik Anlage in Verbindung mit einer thermischen Solaranlage auf dem Dach eins Wirtschaftgebäudes in Köln Quelle: Zeitschrift Ministerium für Bauen und Wohnen NRW

22 Beispiele: Solar Fassaden PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

23 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

24 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

25 PHOTOVOLTAIK Fortbildungsakademie Herne Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

26 Eine neue Dimension im Bereich der 1 Megawatt Solarzellenleistung Photovoltaikintegration 280 Solarmodule in die Fassade integriert 2904 Solarmodule ins Dach integriert Das Gebäude produziert jährlich ca kwh Strom Das entspricht dem dreifachen des Energieeigenbedarfs Auf diese Weise werden kg CO 2 pro Jahr eingespart Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

27 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

28 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

29 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

30 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

31 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

32 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

33 PHOTOVOLTAIK Quelle:: Zeitschrift Pilkington Solar International

34 Die Bauphase PHOTOVOLTAIK März 98 Mai 98 April 98 Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

35 Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden August 98 Das gesamte Tragwerk besteht aus Holz

36 . Photovoltaik-Integration in Gebäuden Quelle: Pilkington CD

37 Die gesamte Dachfläche beträgt über m 2 PHOTOVOLTAIK Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

38 Der Rohbau der Bücherei unter der Dachkonstruktion PHOTOVOLTAIK Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

39 Es wurden fünf unterschiedliche semitransparente Elemente eingesetzt PHOTOVOLTAIK Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

40 Arbeiten auf einem Megawatt... Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

41 Die Größe der Module beträgt bis zu 3,2 m 2 PHOTOVOLTAIK Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

42 Bundeswirtschaftsministeriums PHOTOVOLTAIK Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kw, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

43 Das Dach des Ministeriums PHOTOVOLTAIK Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kw, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

44 PHOTOVOLTAIK Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kw, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

45 40 kw Solar Generator PHOTOVOLTAIK Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kw, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

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47 Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kw, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich

48 Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kw, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich

49 Verschattete Innenansicht Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

50 PHOTOVOLTAIK Konstanz, Stadtwerke, 63 kw, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

51 auf semitransparenten begehbaren Modulen.

52 Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden Innenansicht

53 PHOTOVOLTAIK Quelle: Thyssen-Solartec Informationsblätter

54 PHOTOVOLTAIK Quelle: Thyssen-Solartec Informationsblätter

55 PHOTOVOLTAIK Quelle: Thyssen-Solartec Informationsblätter

56 PHOTOVOLTAIK Quelle: sunways AG Informationsblätter

57 PHOTOVOLTAIK Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

58 Aufdachkonstruktion einer PV - Anlage zur Verschattung PHOTOVOLTAIK Konstanz, Stadtwerke, 63 kw, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung Quelle: Pilkington CD Photovoltaik-Integration in Gebäuden

59 Maximale Strahlungsleistung auf senkrecht bestrahlter Fläche ca. 1 kw/m² Strahlungsleistung bei sehr dichter Bewölkung ca. 0,02 kw/m² Leistungsbereich der diffusen Strahlung bei bewölktem Himmel mit vollständig verdeckter Sonne Jährliche Einstrahlung auf horizontale bzw. 45 nach Süden geneigte Fläche 0,02-0,25 kw/m² kwh/m² a PHOTOVOLTAIK Maximalwert der täglichen Einstrahlung (sehr klares Sommerwetter) Minimalwert der täglichen Einstrahlung (sehr trübes Wetter) Mittelwert der täglichen Einstrahlung an den 100 besten Sonnentagen des Jahres Einstrahlung an den 100 ungünstigsten Tagen des Jahres Jährliche Sonnenscheindauer Sonnenscheindauer April bis September (Sommerhalbjahr) Sonnenscheindauer Oktober bis März (Winterhalbjahr) ca. 8 kwh/m² d ca. 0,1 kwh/m² d ca. 5,5 kwh/m² d kleiner als 1 kwh/m² d h/a h h

60 PHOTOVOLTAIK Quelle: Technische Information Wagner&Co

61 PHOTOVOLTAIK Quelle: Technische Information Wagner&Co

62 PHOTOVOLTAIK Colt International, Kleve GSS Saint-Gobain Glas Solar, Aachen Witterungsschutz Sonnenschutz Wärmedämmung Schallschutz Sichtschutz/Lichtlenkung Ästhetische Qualität

63 Konstruktive Integration PHOTOVOLTAIK Über Rahmen verschraubt Siemens Solar, München Geklebtes System Wicona, Ulm Pfosten/Riegel-System Schüco International, Bielefeld Punktuelle Klammerung Götz Fassaden, Würzburg Einfache Klemmleisten BP-Solarex, Hamburg Durch Bohrungspunkt gehalten Solon AG, Berlin

64 Auslegung von Fotovoltaik Anlagen erfolgt nach der Leistungsbilanz nach der Stromverbrauchsstruktur PHOTOVOLTAIK nach der möglichen Stromernte

65 Karte der Sonneneinstrahlung Kiel Schwerin Hamburg Bremen PHOTOVOLTAIK Wettringen Düsseldorf Wiesbaden Mainz Saarbrücken Stuttgart Berlin Hannover Potsdam Magdeburg Erfurt München Dresden Durchschnittliche Sonnenscheindauer in Stunden pro Jahr

66 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

67 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

68 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

69 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

70 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

71 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

72 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

73 PHOTOVOLTAIK Quelle: d-extrakt Grundlagen und Beispiele für die Solare Nutzung von Dachflächen 97

74 PHOTOVOLTAIK In dem angegebenen Umgebungstemperatur- bereich von C erreichen PV-Elemente die maximale Einspeiseleistung. Bei höheren Umgebungstemperaturen bis 60 C reduziert sich die Ausgangsleistung entsprechend der folgenden Grafik: (Quelle:

75 Hersteller Typ Bezeichnung Abmessung L x B Leistun g Wp Bemerkung Shell-Solar multikristallin S x W rahmenlos /Rahmen Shell-Solar multikristallin S x W auch rahmenlos mit Laminat erh. Shell-Solar multikristallin S x W Shell-Solar multikristallin S x W BP-Solar monokristallin BP x W Alum.-Rahmen PHOTOVOLTAIK BP-Solar mulitkristallin BP x W BP-Solar monokristallin BP x W BP-Solar monokristallin BP 585 F x W Saturn-Mod. 17 % BP-Solar multikristallin BP MSX x W BP-Solar Dünnschicht BP x W BP-Solar polykristallin BP x W R = 15 % BP-Solar Dünnschicht MST 43 MW 666 x W R = 5,5 % Viessmann polykristallin Vitovolt x Siemens Solar SP x W 320 W R = 12 % Würth Solergy monokristallin WE x W R = 14,4 %